Al meer dan een halve eeuw studies over de Afrikaanse klauwkikker (Xenopus laevis) hebben wetenschappers geholpen de biologische onderbouwing van het leven beter te begrijpen, van embryonale ontwikkeling en neurobiologie tot genetica en ziekte. De aanspraken van de kikker op roem omvatten de Nobelprijswinnende ontdekking dat het lot van volwassen cellen opnieuw kan worden geprogrammeerd, en het diende ooit als 's werelds enige betrouwbare zwangerschapstest.

Nutsvoorzieningen, nieuwe technologieën stellen wetenschappers in staat om nog meer te leren over de fundamentele processen die de biologie aandrijven vanuit deze huiselijke modelorganismen.

Melden in de Proceedings van de National Academy of Sciences , een team onder leiding van systeembioloog Marc Kirschner van de Harvard Medical School beschrijft een nieuwe benadering voor het identificeren en meten van veranderingen in duizenden eiwitten wanneer Xenopus-eieren bevrucht worden.

Hun onderzoek onthult voorheen ondoorzichtige aspecten van de moleculaire mechanismen die betrokken zijn bij bevruchting, inclusief details over hoe bevruchting de vernietiging van een klein aantal eiwitten met een lage hoeveelheid veroorzaakt om de "rem" op de celcyclus van een ei vrij te geven, en hoe het ei snel enorme hoeveelheden eiwit afgeeft om bevruchting door meerdere zaadcellen te voorkomen.

De resultaten maken uitgebreide analyses van de eiwitdynamiek in een cel mogelijk binnen een nauw tijdsbestek, zeiden de onderzoekers, die studies van moleculair gedrag in een breed scala van biologische systemen kan informeren en licht kan werpen op cellulaire veranderingen die ziekte veroorzaken.

"We hebben een methode ontwikkeld die ons een uiterst belangrijk vermogen biedt om absolute niveaus van eiwitten en eiwitmodificaties te kwantificeren en te meten in een dynamische, complex Systeem, " zei Kirschner, de John Franklin Enders University hoogleraar systeembiologie en voorzitter van de afdeling systeembiologie aan de Harvard Medical School.

"De methode zou op grote schaal moeten worden gebruikt in veel biologische en biomedische studies, " voegde Kirschner eraan toe.

Xenopus-eieren worden al tientallen jaren gebruikt om de moleculaire gebeurtenissen tijdens de bevruchting te onderzoeken, licht werpen op de celcyclus, celdeling en embryonale ontwikkeling.

Hoewel er veel bekend is uit jarenlange studie, wetenschappers hebben nog steeds een onvolledig begrip van veel aspecten van bemesting vanwege technische beperkingen, met name een uitgebreid beeld van de betrokken eiwitten, hun functies en wat er in de loop van de tijd met hen gebeurt.

Barcode scannen

Met collega's Marc Presler en Elizabeth Van Itallie, afgestudeerde studenten systeembiologie aan de Harvard Medical School, en Allon Klein en Steven Gygi, professoren systeembiologie en celbiologie aan de Harvard Medical School, Kirschner en het onderzoeksteam gebruikten een techniek om eiwitten in Xenopus-eieren te labelen met barcode-achtige chemische tags, waardoor de wetenschappers duizenden eiwitten tegelijk konden analyseren met behulp van massaspectrometrie.

In combinatie met een nieuwe analytische methode, deze benadering stelde het team in staat om de absolute niveaus van eiwitten in een cel te meten en details te onthullen over de fosforylering van een eiwit - een van de belangrijkste chemische modificaties die cellen gebruiken om de activiteit van een eiwit te reguleren.

Meten tijdens en tot 20 minuten na de bevruchting, de onderzoekers ontdekten dat de niveaus van een klein aantal laag-overvloedige eiwitten snel dalen.

Binnen een paar minuten, de vernietiging van deze eiwitten veroorzaakt het omgekeerde van fosforylering van een veel breder scala aan eiwitten door de cel - een proces dat de voltooiing van de celcyclus bevordert, inclusief de scheiding van chromosoomkopieën, die het ei voorbereidt op verdere groei.

Terwijl slechts ongeveer 0,01 procent van de totale eiwitmassa van de cel werd afgebroken, het team ontdekte dat bevruchting ook de verdrijving van 50 keer deze hoeveelheid eiwit uit de cel veroorzaakt. Voornamelijk opgeslagen in celcompartimenten nabij het membraan, deze sets van eiwitten worden waarschijnlijk uitgescheiden om bevruchting door meerdere zaadcellen te helpen voorkomen, aldus de onderzoekers.

Deze afgifte valt samen met een aanzienlijke toename van fosforylering voor tal van signaaleiwitten en andere die een rol spelen bij het genereren van contractiegolven op het oppervlak van het ei onmiddellijk na de bevruchting.

Het ei scheidt ook verschillende eiwitafbrekende enzymen buiten de cel af, waarvan onderzoekers vermoeden dat het meerdere bevruchtingsgebeurtenissen helpt blokkeren door spermabindende eiwitten te vernietigen. In een enigszins paradoxale bevinding, het team observeerde ook een toename van eiwitten die de activiteit van eiwitafbrekende enzymen remmen. De redenen, echter, blijven onduidelijk en vormen een weg voor toekomstig onderzoek.

"We waren in staat om zowel nieuwe als eerder bekende kenmerken van de celcyclus te observeren, maar we waren ook in staat om andere grote gebeurtenissen die parallel plaatsvonden te ontwarren, Presler zei. "Bevruchting vindt plaats door de coördinatie van duizenden moleculen tegelijk, en voor het eerst hebben we de kans om het op deze schaal te begrijpen."

De nieuwe methodologie maakt metingen van de absolute niveaus van eiwitten en fosforylering mogelijk door een combinatie van technologische en wiskundige benaderingen. Het vertegenwoordigt een aanzienlijke verbetering ten opzichte van veelgebruikte grootschalige eiwitanalyses die de nauwkeurige voorspelling van functionele verschillen een uitdaging kunnen maken.

Door het detail en de schaal waarop wetenschappers eiwitsamenstelling en modificaties kunnen bestuderen aanzienlijk te verbeteren, zelfs over nauwe vensters van tijd, het team gelooft dat deze technieken op veel biologische systemen kunnen worden toegepast.

"Om ziekte te begrijpen en te genezen, we hebben een nauwkeuriger begrip nodig van wat er gebeurt in normale, gezonde processen, Presler zei. "We vroegen wat de moleculaire verschillen tussen een bevruchte en onbevruchte eicel waren, maar deze benadering is direct toepasbaar voor het bestuderen van andere belangrijke vragen, zoals de verschillen tussen cellen die zich in een gezonde en zieke toestand bevinden."

"Eiwitbiochemie stuurt een groot deel van de functie van een cel aan, en deze methodologie kan ons een completer beeld geven van hoe cellen doen wat ze doen, " hij zei.